北斗系统射频功率放大器的研究与设计

王钟

【摘要】 本文设计了一款可应用于我国北斗卫星导航系统的单片微波集成功率放大器。该功率放大器基于台湾WIN半导体公司的InGaP/GaAs 异质结双极型晶体管（HBT）器件Q360模型，仿真结果表明，其在1.5—1.7GHz的工作频率范围内，小信号增益稳定在40dB左右，输入输出反射系数均在-10dB以下，P1dB输出功率为35dBm，大信号功率增益达到36.5dB，效率附加效率（PAE）达到56%，可满足我国北斗系统的常规应用。

【关键词】 北斗卫星导航系统 功率放大器 InGaP/GaAs HBT 小信号增益 P1dB输出功率

一、引言

北斗卫星导航系统（简称“北斗系统”）是我国自行研究与设计开发的全球卫星定位与通信系统，是继美国的Global Positioning System（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统[1]。

射频功率放大器是北斗卫星导航系统中不可缺少的重要组成部分，功放特性的好坏将直接影响整个北斗系统的性能。随着北斗系统技术的不断发展，尤其是其独特的双向通讯技术，对应用于其射频端的功率放大器的研究已成为一个极为重要的课题，也是近年来国内外研究的一个重点和热点。

目前，应用在北斗系统中的功率放大器大多是由3-4个放大器级联组成的[2]，面积较大且电路复杂成本较高，本文设计的单片微波集成功率放大器，大大简化了传统射频功率放大器的电路结构。本文基于台湾WIN半导体公司的InGaP/GaAs 异质结双极型晶体管（HBT）器件Q360模型，采用美国AWR公司的Microwave office微波仿真软件，仿真结果表明，该功率放大器在1.5-1.7GHz的工作频率范围内，小信号增益S21稳定在40dB左右，输入反射系数S11、输出反射系数S22均在-10dB以下。工作频率为1.6GHz时对应的P1dB输出功率为35dBm，大信号功率增益达到36.5dB，效率附加效率（PAE）稳大于50%，可为北斗系统功率放大器的研究者们提供一定的参考。

二、电路设计

本文设计的射频功率放大器由三级基本放大电路构成每一级电路均是共射极放大电路。在第一级的输入端有一个T型的LC高通匹配电路，可使整个功率放大器的输入阻抗值与50欧姆匹配；级与级之间亦采用了LC高通T型匹配电路，每一级之间达到了完全匹配。

为了提高整个功放的线性度与稳定度，本电路在第一级放大器的基极与集电极之间增加了一个RC串联支路。电源偏置电路是所有射频功率放大器不可或缺的电路单元，本文设计的功率放大器采用独有的电流镜结构的基极偏置电路（如图2所示），具有良好的温度自适应特性，可以充分提高放大器的线性度与稳定性。其中，第一级和第二级放大电路采用同一个基极直流偏置，可有效节省芯片面积。

三、仿真结果

本文设计的北斗功率放大器使用美国AWR公司的Microwave office微波仿真软件，采用台湾WIN半导体公司的InGaP/GaAs异质结双极型晶体管器件Q360模型，仿真设计图如图3所示。其中，第一级放大电路由8个Q360器件构成，集电极电流Ic为60mA，小信号增益S21约为12dB；第二级放大电路由16个Q360器件构成，集电极电流Ic为120mA，S21约为17dB；第三级放大电路由32个Q360器件构成，集电极电流Ic为360mA，S21约为15dB。由于级与级之间存在不可避免的增益衰减，该功率放大器总体增益约在40dB左右。

经过仿真调试，该功率放大器的小信号S参数仿真结果，该功率放大器在1.5-1.7GHz的工作频率范围内，增益S21基本保持在40dB左右，且始终大于40dB，输入反射系数S11、输出反射系数S22均在-10dB以下，具有良好的反射隔离效果。

北斗功率放大器随输入信号功率的增加，输出端的各项参数变化范围。在工作频率为1.6GHz时，该功放的P1dB输出功率为35dBm，对应点的大信号功率增益为36.5dB，效率附加效率（PAE）达到56.8%，稳大于50%，是一款可应用于北斗卫星导航系统的性能优越的射频功率放大器。

四、结论

本文设计的射频功率放大器将基本的电路结构集成在GaAs衬底上，电路结构简单，有效简化了通信系统中射频电路的结构与布局。仿真结果表明，该射频功率放大器在1.5-1.7GHz的工作频率范围各项性能良好，P1dB输出功率达到35dBm（3.2W），可满足我国北斗卫星导航系统的常规应用。

参 考 文 献

[1] 杨元喜. 北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J]. 测绘学报，2010，（01）：1-6

[2] 杨华炜. 基于ADS的多级功率放大器设计与仿真[J]. 现代电子技术，2012，（07）：173-176